摘 要： 為提高遙控汽車的抗干擾能力，優(yōu)化其控制功能，設(shè)計了一款具有16位隨機地址碼學習能力的多功能遙控汽車編解碼器（MT-5/MR-5）。通過建立良好的通信協(xié)議、引入隨機地址碼學習功能和優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)，極大地提高了遙控汽車的抗干擾和精確控制能力。最后介紹了該對編解碼器在電路中的應(yīng)用，具有進一步推廣應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞： 基帶信號；通信協(xié)議；遙控汽車；編碼器；解碼器
隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，各類無線遙控技術(shù)異軍突起，應(yīng)用范圍越來越廣，生活中常見的遙控汽車、防盜報警、遙控機器人以及家用電器等方面應(yīng)用了大量的無線遙控電路，這些遙控電路的核心部件是遙控編解碼器[1]。但市場上很多遙控器和接收機的抗干擾能力不強，例如遙控汽車，經(jīng)常出現(xiàn)“一個遙控機同時遙控多個同類型的遙控汽車”、“一個遙控汽車同時受多個同類型的遙控機所控制”、“一個遙控機只能請求一個遙控汽車進行地址碼學習”和“一個遙控汽車只能接受一個遙控機發(fā)送的地址碼學習請求”等問題。因此，設(shè)計一款具有多位隨機地址碼學習能力的多功能遙控汽車編解碼器（也適用于遙控飛機、遙控機器人和其他遙控系統(tǒng)）具有很好的市場前景。
1 功能定義
編碼器（MT-5）和解碼器（MR-5）是一對能精確控制遙控汽車的編解碼器，其管腳圖如圖1所示。MT-5的S鍵和MR-5的SRC鍵用來控制16位隨機地址碼學習功能，8個控制鍵F（前進）、B（后退）、R（右轉(zhuǎn)）、L（左轉(zhuǎn)）、T（加速）、F1～F3（附加功能）用來遙控汽車的運動（如勻速前進、加速前進、右轉(zhuǎn)以及多種狀態(tài)組合的功能）。當按下地址碼學習請求鍵S和地址碼學習允許鍵SRC后，MT-5發(fā)送學習請求，MR-5接收到該學習請求后，進行請求狀態(tài)識別和地址碼數(shù)據(jù)檢測，再進行16位隨機地址碼學習。學習完成后，MT-5就可以發(fā)送控制功能請求了，MR-5接收到該請求后進行請求狀態(tài)識別、地址碼判斷和請求功能數(shù)據(jù)檢測，最后進行相應(yīng)的控制功能驅(qū)動[2]。
遙控汽車在非加速狀態(tài)下前進和后退對應(yīng)的F和B輸出端輸出60 Hz的脈沖，間歇地驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，使遙控汽車處于非加速運動狀態(tài)；而加速狀態(tài)下前進和后退則對應(yīng)F和B輸出端輸出高電平，持續(xù)驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而使遙控汽車處于加速運動狀態(tài)，如表1所示。
2 編解碼思路
為建立遙控汽車的通信關(guān)系，MT-5和MR-5必須共同遵循一個預先協(xié)商好的幀協(xié)議[2-3]。在發(fā)送端數(shù)據(jù)按照幀協(xié)議的約定，把幀同步碼、隨機地址碼、請求狀態(tài)位、功能數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位、結(jié)束位等裝入幀中后送入傳輸線路，接收端接收到幀后根據(jù)預先協(xié)定好的幀格式來進行同步、識別、校驗和解碼接收。信號發(fā)送過程中，碼元為“1”時用占空比為3/4的矩形脈沖表示，碼元為“0”時用占空比為1/4的矩形脈沖表示。幀結(jié)構(gòu)和編碼方式如圖2所示，取編碼頻率fc=2 kHz，Tc=0.5 ms，碼元信號周期Ts=2.0 ms。
解碼時只要控制取樣時鐘在該位中間時刻采樣，所得到的取樣值就是該位所代表的碼元信息，該取樣方式對時鐘要求非常寬松，并有一定的容差范圍。取樣頻率與編碼頻率一致，故可得取樣時鐘容差范圍ΔT=Tc=0.5 ms。
3 編解碼器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)
編解碼器含有上電復位、按鍵信號防抖動、16位隨機地址碼發(fā)生器、編碼、取樣、地址碼學習和輸出控制等電路，如圖3所示。因遙控汽車安全需要，解碼器內(nèi)置有過壓保護電路[4]，輸入自動關(guān)閉腳的過壓信號會關(guān)閉馬達（VT 腳未用時接地，轉(zhuǎn)移點為1.4 V）。
其中，16位隨機地址碼產(chǎn)生器電路基于M序列生成原理，利用反饋移位寄存器產(chǎn)生線性移位寄存器序列。以4級移位寄存器為例，其邏輯功能如圖4所示。設(shè)初始狀態(tài)（a0a1a2a3）=1000，即第一級a0=1，第二級a1=0，第三級a2=0，第四級a3=0。當一個脈沖來到時，各級狀態(tài)便自左向右移至下一級，末級a3作為串行地址碼輸出。假設(shè)M序列多項式f(a0，a1，a2，a3)輸出為a4，將該輸出反饋到第一級，成為第一級的新存數(shù)，下一個時鐘脈沖到來又繼續(xù)上述過程，隨著時鐘的不斷來到，第一級a0輸出一個0、1序列。由于地址碼學習請求和學習允許按鍵的控制時間具有一定的隨機性，因此獲取的16位地址碼也是隨機的。
編解碼器還引入多個設(shè)計巧妙、結(jié)構(gòu)簡潔和性能優(yōu)良的模塊電路。如按鍵輸入信號防抖動電路，能解決普通防抖動電路帶來的結(jié)構(gòu)復雜和延時較長等問題；帶使能信號門控時鐘型數(shù)據(jù)鎖存器，能解決常見的數(shù)據(jù)鎖存器所帶來的門級功耗較高、版圖面積較大和時序混亂等問題[5]；基于COMS開關(guān)特性奇偶校驗電路，能解決由異或門組成的傳統(tǒng)型奇偶校驗電路所帶來的版圖面積大等問題[6-7]。
4 編解碼器的應(yīng)用
根據(jù)遙控汽車的工作特性，設(shè)計了適用于MT-5和MR-5的應(yīng)用電路，如圖5和圖6所示。
MT-5應(yīng)用電路正常工作時，9 V直流電源經(jīng)過由R1、D1、C1和C2組成的穩(wěn)壓電路后為編碼器提供4.7 V的工作電壓。同時，9 V直流電源也直接給三極管Q1和Q2供電。按鍵開關(guān)S用于16位隨機地址碼學習請求；按鍵開關(guān)F、B、T、R、L用于控制遙控汽車的前進、后退、加速、右轉(zhuǎn)、左轉(zhuǎn)以及組合功能，F(xiàn)1～F3用于功能擴展。Q1、XTAL、L1和C5組成一個電容三點式載波振蕩器。MT-5端口DO輸出的編碼信號與Q1輸出的載波信號同時加到Q2的基極，經(jīng)Q2調(diào)制，并經(jīng)L3、C9和C10濾波后由天線發(fā)射出去。該電路設(shè)置載波頻率為27.145 MHz，元件具體參數(shù)如圖5所示。
MR-5應(yīng)用電路正常工作時，12 V直流電源直接加在伺服電機M1和M2兩組全橋驅(qū)動器上。同時電源經(jīng)穩(wěn)壓電路后為MR-5和RF接收電路提供4.7 V的穩(wěn)定電壓（IN4148是通用開關(guān)二極管，對MR-5起到保護作用）。天線和Q1組成的RF電路接收信號后送給MR-5的一級反向輸入端口V1，經(jīng)解碼后，輸出端口F、B、R和L輸出控制信號，并驅(qū)動兩個全橋電機驅(qū)動器，從而控制伺服電機的正向和反向轉(zhuǎn)動。當T=1、F=1、B=0、R=0、L=1時， Q8、Q9、Q11、Q2、Q3、Q5導通，Q12、Q13、Q10、Q6、Q7、Q4截止，M1正轉(zhuǎn)和M2反轉(zhuǎn)控制汽車加速向左前進。當端口T=0時，F(xiàn)和B對應(yīng)的高電平置換為60 Hz的脈沖，間歇地驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動以控制遙控汽車勻速前進和后退。該電路設(shè)置載波頻率為21.145 MHz時，對應(yīng)的元件參數(shù)如圖6所示。
本文設(shè)計了一對具有16位隨機地址碼學習能力的多功能遙控汽車編解碼器。給出一種保密性好和誤碼率低的編解碼方式，建立了編解碼器之間的通信協(xié)議，引入了獨特的16位隨機地址碼生成、學習和檢測功能，解碼器必須在人為允許的條件下才可以接受地址碼學習請求，并且還可以接受同類型的不同遙控器的地址碼學習請求，極大地提高了遙控汽車在工作過程中的抗干擾能力。最后給出了編解碼器在電路中的應(yīng)用，實現(xiàn)了對遙控汽車的精確控制，并在遙控飛機和遙控機器人等一系列遙控設(shè)備中具有進一步的推廣應(yīng)用價值。
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